Датчик механической перегрузки транспортного средства

 

Использование: в средствах обеспечения безопасности человека в легковых автомобилях. Сущность изобретения: датчик содержит корпус 1, электрически изолированное от корпуса 1 токопроводящее инерционное тело 2, служащее замыкателем электрической цепи, упругий элемент 3, жесткость которого определяет момент срабатывания датчика, и два вывода 4 и 5 для подсоединения его к источнику 6 питания и потребителю 7. В корпусе 1 установлен электромагнит с обмоткой 8 и токопроводящим сердечником, который электрически изолирован от инерционного тела 2 и корпуса 1 и выполнен из наружной 9 и внутренней 10 частей, соединенных между собой через резьбу с возможностью установки внутренней части 10 сердечника относительно инерционного тела 2 в положении, обеспечивающем с учетом фактической жесткости упругого элемента 3 электрический контакт между инерционным телом 2 и сердечником 10 при достижении заданного уровня механических перегрузок. Один конец 11 обмотки 8 электрически соединен с сердечником 10, другой 4 является первым выводом для подсоединения датчика к источнику 6 питания. Для подсоединения к потребителю 7 служит второй вывод 5, электрически постоянно соединенный с инерционным телом. Инерционное тело 2 выполнено из магнитомягкого материала, одновременно является якорем электромагнита и за счет деформирования упругого элемента 3 при помощи установочного винта 14, электрически соединяющего инерционное тело 2 с дополнительным третьим выводом, служащим для шунтирования потребителя 7, установлено по отношению к внутренней части 10 сердечника с зазором, выбранным из условия обеспечения электрической прочности цепей между первым 4 и вторым 5 выводами датчика. 1 ил.

Изобретение относится к области средств обеспечения безопасности пользователя на транспорте и, прежде всего, к средствам пассивной безопасности легковых автомобилей.

Датчик механической перегрузки является составной частью любой системы пассивной безопасности и представляет собой устройство, позволяющее измерять заданный уровень механической перегрузки и выдавать определенный сигнал в момент достижения этого уровня. Потребителем сигнала от датчика могут быть различные устройства и механизмы, в том числе надувные подушки безопасности или специальные приводы механизмов натяжения ремней безопасности. От датчика требуется высокая надежность работы. Для каждого потребителя датчик должен обеспечить как можно более точно требуемый момент включения электрической цепи, так как на весь процесс работы устройств и механизмов системы безопасности природа механического удара при аварии накладывает жесткие ограничения по времени. Датчик должен выдавать сигнал о включении действительно в момент возникновения аварийной ситуации и исключать возможность ложных срабатываний потребителя при тряске и вибрациях на неровной дороге или при случайной подаче напряжения в цепь электрического питания потребителя до момента воздействия на автомобиль аварийного уровня механических перегрузок.

Известны датчики аварийной ситуации тензометрического типа, содержащие корпус, инерционное тело, чувствительный элемент, способный изменять один или несколько электрических параметров при воздействии на него механической перегрузки, и выводы для подсоединения датчика к источнику питания и потребителю. Как правило, такие датчики при использовании в системе пассивной безопасности требуют дополнительного электронного блока для преобразования сигнала от датчика в электрический импульс, достаточный энергетически для срабатывания потребителя. Применение указанных датчиков усложняет и удорожает систему пассивной безопасности, снижает надежность ее работы.

Известен датчик механической перегрузки транспортного средства, содержащий токопроводящее инерционное тело и упругий элемент, размещенные в корпусе, электрически изолированные от него и сопряженные друг с другом, два предназначенных для подключения необъединенных клемм потребителя и аккумуляторной батареи присоединительных вывода, первый из которых электрически связан с инерционным телом. Этот датчик не требует дополнительных электронных блоков, однако и он имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, в его конструкции отсутствуют элементы настройки на требуемый уровень механических перегрузок, при которых датчик должен срабатывать. Из-за этого требуемый момент включения системы безопасности датчик может не обеспечить так как по конструктивной схеме датчика на данный параметр могут влиять как нестабильность механических свойств используемых материалов, так и неустойчивость производственно-технологических факторов. Во-вторых, конструкция этого датчика не предусматривает защиту электрических цепей потребителя от преждевременного несанкционированного срабатывания. В-третьих, при наличии тряски и вибраций, особенно в области механических перегрузок, близких или малопревышающих требуемый уровень срабатывания, этот датчик может выдать отказ или включить электрическую цепь потребителя на недопустимо малое время, которое не обеспечит срабатывание потребителя, а, наоборот, приведет к его порче. Поэтому надежность этого датчика также недостаточна.

Цель изобретения повышение надежности работы датчика.

Указанная цель достигается тем, что в известном датчике, содержащем токопроводящее инерционное тело и упругий элемент, размещенные в корпусе, электрически изолированные от него и сопряженные друг с другом, два предназначенных для подключения необъединенных клемм потребителя и аккумуляторной батареи присоединительных вывода, первый из которых электрически связан с инерционным телом, в корпус введен электромагнит с обмоткой и токопроводящим сердечником, электрически изолированным от корпуса и инерционного тела и состоящим из наружной и внутренней частей, связанных между собой через резьбу с возможностью контактирования внутренней части с инерционным телом при превышении допустимого уровня механической перегрузки. Один конец обмотки электрически соединен с сердечником, а другой конец со вторым присоединительным выводом. Инерционное тело выполнено в виде якоря электромагнита и посредством установочного винта зафиксировано с зазором по отношению к внутренней части сердечника, выбранным из условия обеспечения электрической прочности между разобщенными цепями. С установочным винтом связан третий присоединительный вывод, предназначенный для подключения объединенных клемм потребителя и аккумуляторной батареи.

Сущность изобретения заключается в возможности настройки и проверки каждого экземпляра датчика на требуемый уровень механических перегрузок в зависимости от фактической жесткости упругого элемента, в использовании электромагнитных сил для надежного замыкания рабочей электрической цепи датчика в любых условиях эксплуатации с устранением дребезга контактов и возможности порчи или вывода из строя потребителя в области механических перегрузок, близких или малопревышающих требуемый уровень срабатывания, а также в защите потребителя от преждевременного несанкционированного срабатывания путем введения в конструкцию датчика дополнительной шунтирующей цепи.

Введение в конструкцию предложенных элементов позволяет повысить надежность работы датчика и системы безопасности в целом.

На чертеже изображен датчик механической перегрузки транспортного средства.

Датчик содержит корпус 1, инерционное тело 2, упругий элемент 3, выводы 4 и 5 для подсоединия соответственно к аккумуляторной батарее 6 и потребителю 7. В корпусе 1 установлен электромагнит с обмоткой 8 и сердечником, выполненным из наружной 9 и внутренней 10 частей, соединенных между собой через резьбу А с возможностью установки внутренней 10 части сердечника относительно инерционного тела 2 в положении, обеспечивающем с учетом фактической жесткости упругого элемента 3 электрический контакт между инерционным телом 2 и сердечником 10 при достижении заданного уровня механической перегрузки. С сердечником 10 электрически соединен один конец 11 обмотки 8 при помощи лепестка 12 и контргайки 13.

Инерционное тело 2 за счет деформирования упругого элемента 3 при помощи резьбовой детали 14 установлено по отношению к внутренней 10 части сердечника с зазором Б, который выбран из условия обеспечения электрической прочности цепей между выводами 4 и 5. Резьбовая деталь 14 зафиксирована с помощью лепестка 15 и контргайки 16. Лепесток 15 используется в качестве дополнительного вывода, который за счет обеспечения электрического контакта между резьбовой деталью 14, инерционным телом 2, упругим элементом 3 и выводом 5 в исходном состоянии шунтирует потребитель 7. В результате детали датчика оказываются расположенными таким образом, что инерционное тело 2 одновременно является якорем электромагнита. Электрически оно изолировано от корпуса 1 и частей 9 и 10 сердечника с помощью изоляторов 17 и 18.

Инерционное тело 2, а также части 9 и 10 сердечника электромагнита выполнены из Ст. 3, упругий элемент 3 с лепестками 12 и 15 из бронзовых сплавов, корпус 1, резьбовая деталь 14 с контргайками 13 и 16 из металлических сплавов, а изоляторы 17 и 18 из пластмассы.

Упругий элемент 3 может быть выполнен в виде пружины любой другой формы, например в виде винтовой пружины.

Обмотка 8 электромагнита выполнена из медного провода диаметром 0,63 мм. Электрическое сопротивление обмотки менее 1 Ом.

При проведении экспериментов использовались источники питания с напряжением 4-32 В и потребитель с электрическим сопротивлением около 3 Ом и током срабатывания 1-2 А. Электрическое сопротивление соединительных проводов составляло не более 1 Ом. Время срабатывания датчика составляет (3-5) ˙ 10^-3 с.

Сборка и настройка датчика проводятся следующим образом.

Сначала определяется действующая масса М, непосредственно участвующая при деформации упругого элемента 3 под воздействием механических перегрузок. В данном случае к действующей массе М относят полную массу инерционного тела 2, определяемую путем непосредственного взвешивания перед сборкой, и частично массу упругого элемента 3, которую можно определять как расчетным путем, так и взвешиванием соответствующей части детали после разрезки одной или нескольких штук от партии деталей, например М 4,5 г.

Затем следует определить усилие F срабатывания датчика, которое должно быть равно произведению действующей массы М на заданную перегрузку a_зад, при которой датчик должен срабатывать. Например, при a_зад 20 получаем F 4,5 ˙ 20 90 г.

Полученное значение F используют при выборе жесткости упругого элемента 3 из условия, что под нагрузкой, равной F, деформация l_раб составляет не менее 2 мм (меньшие значения деформации допустимы, но не желательны).

При сборке датчика полученное значение F используют для установки части 10 сердечника. До монтажа деталей 12-16 через отверстие, в которое монтируется резьбовая деталь 14, на инерционное тело 2 воздействуют усилием F. После этого часть 10 сердечника ввинчивают по резьбе А до тех пор, пока не появится устойчивый электрический контакт (короткое замыкание по прибору типа омметр) между выводами 4 и 5. Затем с инерционного тела 2 снимают нагрузку F и ввинчивают резьбовую деталь 14 сначала также до появления устойчивого электрического контакта между выводами 5 и 15. После достижения электрического контакта между выводами 5 и 15 резьбовую деталь 14 продолжают ввинчивать до момента появления электрического контакта между выводами 4 и 5, после чего резьбовую деталь 14 вывинчивают назад с обеспечением зазора Б, который выбирается из условия обеспечения электрической прочности. Например, при Б 0,5 мм и шаге резьбы у резьбовой детали 14, равном также 0,5 мм необходимо вывинтить назад резьбовую деталь 14 на один оборот. Конечные положения деталей 10 и 14 фиксируются с помощью лепестков 12 и 15 и контргаек 13 и 16. Таким образом, после окончательной сборки между выводами 5 и 15 должен быть электрический контакт, а между выводами 4 и 5 разрыв.

В результате сборки упругий элемент 3 будет сдеформирован установочным усилием, которое при l_раб 2 мм, a_зад 20 и Б0,5 мм будет соответствовать установочной перегрузке a_уст., меньшей, чем заданная перегрузка a_зад на 3-8 ед. т.е. a_уст будет соответствовать приблизительно 15.

При монтаже на транспортное средство датчик должен быть ориентирован по отношению направления действия механических перегрузок таким образом, чтобы под их действием инерционное тело 2 имело возможность двигаться в сторону уменьшения зазора Б.

Предлагаемый датчик работает следующим образом.

После монтажа на транспортное средство и подсоединения выводов датчика все его детали сохраняют исходное состояние как в случае отсутствия механических перегрузок, так и при наличии их воздействия на автомобиль до значения a_уст. При этом электрическая цепь датчика между выводами 4 и 5 разомкнута, а дополнительная шунтирующая цепь между выводами 5 и 15 замкнута. Это значит, что потребитель 7 не может быть задействован от аккумуляторной батареи 6, так как последняя к нему не подключена. Более того, потребитель 7 не может быть задействован при случайной или уменьшенной подаче напряжения на вывод 5, как от аккумуляторной батареи 6, так и от любого другого источника питания, поскольку через выводы 5 и 15 потребитель 7 закорочен на корпус.

В случае аварийной ситуации механические перегрузки на элементах транспортного средства могут достигать значений, представляющих опасность для здоровья человека. Если перегрузки превысят величину значения a_уст, то инерционное тело 2, преодолевая сопротивление упругого элемента 3, отходит от резьбовой детали 14 и начинает двигаться в сторону уменьшения зазора Б. После отхода инерционного тела 2 от резьбовой детали 14 дополнительная электрическая цепь шунтирования потребителя 7 разрывается. С этого момента рабочая электрическая цепь задействования потребителя 7 не защищена от любого попадания напряжения на его выводы. Однако начиная с этого момента, транспортное средство уже испытывает перегрузки, близкие к опасному уровню.

По мере дальнейшего роста механических перегрузок инерционное тело 2 еще более деформирует упругий элемент 3, а при достижении уровня a_зад полностью выбирается зазор Б и инерционное тело 2 касается внутренней части 10 сердечника электромагнита. В этот момент от аккумуляторной батареи 6 через вывод 4, обмотку 8, конец 11 обмотки 8, лепесток 12, часть 10 сердечника, инерционное тело 2, упругий элемент 3 и вывод 5 электрическое напряжение поступает на потребитель 7 и в этой цепи начинает протекать электрический ток. За счет электромагнитной индукции, возбуждаемой электрическим током в обмотке 8, части 9 и 10 сердечника намагничиваются и возникает электромагнитная сила, которая притягивает инерционное тело 2 к части 10 сердечника. С увеличением силы электрического тока в этой цепи увеличивается и сила притяжения инерционного тела 2. В этот момент любая механическая перегрузка обратного знака, обусловленная тряской, вибрацией или дребезгом, не сможет оторвать инерционное тело 2 от сердечника электромагнита по крайней мере до тех пор, пока в данной цепи не прекратится электрический ток, что гарантирует надежное срабатывание потребителя 7.

После срабатывания потребителя 7 электрический ток в цепи прекращается, части 9 и 10 сердечника больше не намагничиваются, сила электромагнитного притяжения между частью 10 сердечника и инерционным телом 2 пропадает, и в этот момент инерционное тело 2 вновь готово следить за процессом изменения механических перегрузок, действующих на элементы транспортного средства. По времени протекания аварийной ситуации к этому моменту воздействие механических перегрузок, как правило, уже прекращается. При снижении перегрузок до уровня a_зад инерционное тело 2 отходит от части 10 сердечника, а при достижении значения a_уст оно упирается в резьбовую деталь 14 и занимает вновь исходное состояние. При снижении перегрузок в интервале от a_уст до нуля никаких дополнительных перемещений или изменений в положениях деталей датчика не происходит. В этом состоянии наличие зазора Б обеспечивает разрыв электрической цепи питания потребителя 7.

Предлагаемый датчик механической перегрузки транспортного средства отличается высокой степенью надежности работы. Введение в конструкцию элементов настройки датчика на заданный уровень механической перегрузки позволяет достигать этот уровень с погрешностью до 1 ед. что гарантирует его срабатывание в требуемый момент протекания аварийной ситуации. Использование электромагнитных сил в механизме переключения рабочей цепи датчика исключает возможность порчи или вывода из строя потребителя при тряске, вибрациях и дребезге, а также при воздействии на транспортное средство механических перегрузок, близких или мало превышающих требуемый уровень срабатывания.

Наличие в датчике дополнительной шунтирующей электрической цепи позволяет надежно защитить потребитель от преждевременного несанкционированного срабатывания.

Предлагаемый датчик механической перегрузки может быть успешно применен как в системах с надувной подушкой безопасности, так и в системах с различными механизмами напряжения ремней безопасности.

Формула изобретения

ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕГРУЗКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащий токопроводящее инерционное тело и упругий элемент, размещенные в корпусе, электрически изолированные от него и сопряженные друг с другом, два предназначенных для подключения необъединенных клемм потребителя и аккумуляторной батареи присоединительных вывода, первый из которых электрчиески связан с инерционным телом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе, в корпус введен электромагнит с обмоткой и токопроводящим сердечником, электрически изолированным от корпуса и инерционного тела и состоящим из наружной и внутренней частей, связанных между собой через резьбу с возможностью контактирования внутренней части с инерционным телом при превышении допустимого уровня механической нагрузки, один конец обмотки электрически соединен с сердечником, а другой конец с вторым присоединительным выводом, инерционное тело выполнено в виде якоря электромагнита и посредством установочного винта зафиксировано с зазором по отношению к внутренней части сердечника, выбранным из условия обеспечения электрической прочности между разобщенными цепями, при этом с установочным винтом связан третий присоединительный вывод, предназначенный для подключения объединенных клемм потребителя и аккумуляторной батареи.

РИСУНКИ

Рисунок 1